Refrigeração e Ar Condicionado

Transcrição

1 Refrigeração e Ar Condicionado Refrigerantes Filipe Fernandes de Paula filipe.paula@engenharia.ufjf.br Departamento de Engenharia de Produção e Mecânica Faculdade de Engenharia Universidade Federal de Juiz de Fora Engenharia Mecânica 1/47

2 Introdução 2/47

3 Introdução Refrigerante pode ser definido como uma substância que serve como meio de transporte de calor, absorvendo calor a baixa temperatura e rejeitando a temperaturas mais elevadas; Em princípio, qualquer substância que mude de fase, de ĺıquido a vapor durante a absorção de calor, e de vapor para ĺıquido durante a rejeição de calor pode funcionar como refrigerante; Sua utilidade comercial depende das faixas de temperatura e pressão em que irá operar; Mais recentemente, os impactos ambientais que eventualmente possa ocorrer quando liberado no meio, também são um fator importante. 2/47

4 Introdução Durante a primeira metade do século XIX foram desenvolvidas máquinas para compressão de vapor, dando origem ao que entendemos hoje por refrigeração por compressão mecânica do vapor; Os primeiros refrigerantes utilizados foram a amônia, o dióxido de carbono, o dióxido de enxofre e o cloreto de metila; 3/47

5 Introdução Inicialmente (no século XIX) os refrigerantes mais usuais foram: amônia (NH 3 ), dióxido de carbono (CO 2 ), dióxido de enxofre (SO 2 ), hidrocarbonetos (C n H m ), cloreto de metila (CH 3 Cl) e água (H 2 O), chamados de refrigerantes de primeira geração; Nas primeiras décadas no século XX, com o desenvolvimento da refirgeração doméstica, foram desenvolvidas as primeiras unidades domésticas de refrigeração; Os refrigerantes anteriormente mencionados apresentavam uma série de problemas para seu uso em equipamentos residenciais: Toxicidade elevada; Inflamabilidade; Operação em elevadas pressões. 4/47

6 Introdução Pensando no futuro da refrigeração, em 1928, a General Motors iniciou o desenvolvimento de um refrigerante seguro e estável, não tóxico, não corrosivo ou inflamável e que tivesse características adequadas; Um grupo de engenheiros experimentaram combinações de alguns compostos químicos comuns de carbono, cloro e hidrogênio, substituindo átomos de hidrogênio por átomos de flúor; Em poucos dias de trabalho sintetizaram o R-21 para avaliação inicial; A produção comercial do R-12 iniciou em 1931 e o R-11 em 1932; 5/47

7 Introdução No final de 1950, com a introdução de outros compostos, os flúor-químicos se tornaram os refrigerantes dominantes em sistemas de refrigeração por compressão de vapor e chamados assim de refrigerantes de segunda geração. Um dos poucos refrigerantes de primeira geração que permaneceu no mercado foi a amônia. 6/47

8 A Questão Ambiental 7/47

9 A Questão Ambiental Durante a década de 70, alguns cientistas demonstraram, através de experimentos realizados em laboratório, a existência de uma relação direta entre a destruição da camada de ozônio e o uso dos compostos CFC pela indústria; Não só como refrigerantes, mas como propelentes de aerosóis, agentes expansores de espumas, etc. Esses compostos caracterizam-se possuir átomos de cloro na molécula; A diminuição da camada de ozônio é o resultado de um efeito em cadeia promovido pelos átomos de cloro (ou bromo); 7/47

11 A questa o Ambiental 9/47

12 A Questão Ambiental A camada de ozônio protege a Terra dos raios ultra-violetas (UV-B) provenientes do Sol, responsáveis por problemas tanto nos seres humanos (câncer de pele, catarata, etc.) quanto para a vida terrestre; A partir dessas observações, um grupo de países, assinaram o Protocolo de Montreal, cujo objetivo era a fixação de datas para a eliminação de substâncias agressivas à camada de ozônio; Após a definição das datas para eliminação dos CFC, o cronograma atual, em suas sucessivas modificações busca a eliminação completa das substâncias contendo cloro, como os HCFC; 10/47

13 A Questão Ambiental Para quantificar o poder de destruição da camada de ozônio pelos diversos compostos utilizados como refrigerantes, foi estabelecido um indicador, chamado ODP; Ozone depletion potencial ou potencial de destruição da camada de ozônio. O ODP é um indicador normalizado, baseado em um valor de 1,0 para o CFC R-11; Assim, novos refrigerantes foram sintetizados, eliminando o cloro de sua composição; Esses novos refrigerantes, chamados do hidro-flúor-carbonos, foram lançados no mercado no final da década de 80 e nos anos 90 em diante; São denominados de refrigerantes da terceira geração. 11/47

14 A Questão Ambiental Nos anos recentes, além da destruição da camada de ozônio, outro fator prejudicial dos refrigerantes tem sido discutido, o efeito estufa; 12/47

15 A Questão Ambiental A maioria dos compostos halogenados utilizados na refrigeração, inclusive os substitutos atuais dos CFCs apresentam, em maior ou menor grau, caráter de contribuição para o aquecimento global; Como suas emissões são muito inferiores às do CO 2, principal responsável pelo efeito estufa, sua ação não é significativa; Entretanto, o efeito do uso de determinado refrigerante pode apresentar um efeito indireto, devido a um consumo adicional de energia pela sua ineficiência no ciclo de refrigeração; Essa ineficiência seria a responsável por uma produção adicional de energia para compensá-la, liberando na atmosfera mais CO 2 devido aos processos de geração de energia elétrica. 13/47

16 A Questão Ambiental Da mesma forma que foi utilizado para a quantificação do potencial de destruição da camada de ozônio, foi criado um indicador para quantificar os efeitos direto e indireto do gás na atmosfera, chamado de GWP; Global warming potential ou potencial de aquecimento global. O GWP é definido em relação ao efeito de aquecimento de uma massa similar de CO 2 para um período fixo de 100 anos; Outros químicos, como os refrigerantes, por exemplo, são gases de efeito estufa muito mais potentes que o próprio CO 2. A diferença vem da crescente abundância do dióxido de carbono na atmosfera. 14/47

18 A Questão Ambiental Atualmente, estão sendo definidos prazos para eliminação de todos os refrigerantes, incluindo os HFC, que apresentarem valores de GWP superiores a 150; Novos refrigerantes vem sendo desenvolvidos de modo a causar baixo impacto ambiental; Chamados de refrigerantes da quarta geração. 16/47

20 TEWI Total Equivalent Warming Impact 18/47

21 TEWI Total Equivalent Warming Impact Sistemas de refrigeração contribuem para o aquecimento global tanto pela liberação de gases refrigerantes para a atmosfera como pela emissão de dióxido de carbono e outros gases de efeito estufa devido o consumo de energia desses equipamentos; Estudos têm demonstrado que o componente relacionado com o consumo de energia, comumente chamado de efeito indireto é maior que o componente direto, devido às emissões de refrigerantes; Uma forma criada para quantificar esses dois efeitos é chamada de Total Equivalent Warming Impact (TEWI); 18/47

24 Classificação dos Refrigerantes 21/47

25 Classificação dos Refrigerantes A classificação e as designações numéricas dos refrigerantes seguem o padrão utilizado pela ANSI/ASHRAE Standard ; American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers; 21/47

26 Compostos Halogenados 22/47

27 Compostos Halogenados São substâncias químicas derivadas de hidrocarbonetos simples (das séries metano, etano e propano) onde os átomos de hidrogênio são substituídos por átomos de elementos halógenos (cloro, flúor ou bromo); Além da utilização como refrigerantes em sistemas de refrigeração por compressão de vapor, os halocarbônicos e compostos similares passaram também a ser utilizados como agente expansor para espumas rígidas e flexíveis, solventes para limpeza de circuitos microeletrônicos e equipamentos cirúrgicos e como propelentes de aerosóis. 22/47

28 Designação Numérica O primeiro dígito da direita é o número de átomos de flúor no composto (a); O segundo dígito (direita para a esquerda) é o número de átomos de hidrogênio, adicionado de um (b); O terceiro dígito é o número de átomos de carbono subtraído de um (c). 23/47

29 Designação Numérica Por exemplo: o refrigerante clorodifluormetano (CHClF 2 ) possui dois átomos de flúor (a=2), um átomo de hidrogênio (b=1+1=2) e um átomo de carbono (c=1-1=0), cujo resultado é o R-22; Assim, o refrigerante R-134a corresponde a um composto da série etano (dois átomos de carbono), composto de quatro átomos de flúor e dois de hidrogênio, constituindo-se em um dos isômeros espaciais do composto 134. Os isômeros são designados por sufixos a, b, c e etc, em ordem crescente de assimetria espacial; Assim, o refrigerante R-134a corresponde a um composto da série etano (dois átomos de carbono), composto de quatro átomos de flúor e dois de hidrogênio, constituindo-se em um dos isômeros espaciais do composto /47

30 Designação Numérica 25/47

31 Compostos Inorgânicos 26/47

32 Compostos Inorgânicos Grupo ao qual correspondem os fluidos utilizados desde do início da refrigeração por compressão mecânica do vapor; Desse grupo destacam-se a amônia (R-717) e o dióxido de carbono (R-744). 26/47

33 Designação Numérica A designação numérica é composta acrescentando-se ao algarismo 7, os algarismos correspondentes ao peso molecular do fluido; Como exemplo, a amônia, cuja fórmula química é NH 3 é designada conforme os pesos moleculares de seus constituintes, isso é: N = 14 e H = 1. Assim, x1 = /47

35 Compostos Orgânicos 29/47

36 Compostos Orgânicos Embora sejam bons refrigerantes são extremamente inflamáveis e explosivos; Seu uso em aplicações comerciais e residenciais está restringido por códigos severos na maioria dos países da Europa, Estados Unidos, Japão e Austrália; Encontram uso em aplicações industriais, particularmente em refinarias, onda há procedimentos estabelecidos de manejo com gases inflamáveis; 29/47

37 Designação Numérica A designação numérica segue a dos halogenados; Como exemplo, o propano, cuja fórmula química é CH3 CH 2 CH 3, não possui nenhum átomo de flúor (a=0), oito átomos de hidrogênio (b=8+1=9) e três átomos de carbono (c=3-1=2), cujo resultado é o R /47

38 Misturas Azeotrópicas 31/47

39 Misturas Azeotrópicas Uma mistura azeotrópica de duas ou mais substâncias é aquela que não se pode separar seus componentes por destilação; Essas misturas se comportam como substâncias puras, isso é, durante a mudança de fase à pressão constante, a temperatura permanece constante, possuindo propriedades diferentes daquelas de cada um de seus constituintes; 31/47

40 Designação Numérica A designação numérica é feita em ordem cronológica crescente do seu aparecimento, adicionadas ao algarismo 5. Atualmente, a numeração do último composto disponível comercialmente é do R-512A. 32/47

41 Misturas Não Azeotrópicas 33/47

42 Misturas Não Azeotrópicas São misturas cujo comportamento durante a mudança de fase é o típico das misturas, com variações da temperatura para pressões constantes, além de mudança de composição das fases ĺıquido e vapor; 33/47

43 Misturas Não Azeotrópicas 34/47

44 Designação Numérica Da mesma forma que para as misturas azeotrópicas, a designação numérica segue a ordem crescente, por cronologia de seu aparecimento, adicionadas ao algarismo 4. Atualmente já existe o composto R-445A. 35/47

45 Hidro-flúor-olefinas 36/47

46 Hidro-flúor-olefinas Em função de pressões regulatórias para a eliminação de refrigerantes com elevado GWP, os principais fabricantes de refrigerantes vem buscando novas formulações a partir de produtos fluoroquímicos insaturados; Essas substâncias consistem de dois ou mais átomos de carbono com, no mínimo, uma ligação dupla entre carbonos, além de flúor, hidrogênio e possivelmente outros halogênios; Fluorcarbonos insaturados também são identificados como flúor alcenos ou flúor olefinas. 36/47

47 Hidro-flúor-olefinas A ligação dupla carbono-carbono torna o composto mais reativo, o que conduz a sua rápida decomposição na atmosfera; Como resultado, apresentam tempo de vida na atmosfera muito curto, de 6 a 18 dias e, consequentemente, valores de ODP e GWP extremamente baixos; Atualmente já existem comercialmente alguns compostos, tais como o HFO-1234yf (CH 2 = CFCF 3 ), HFO-1234ze (CHF = CHCF 3 ) e HFO-1243zf (CH 2 = CHCF 3 ). 37/47

49 Designação Numérica Exemplo de designação numérica HFO-1234yf. 39/47

50 Designação Numérica Exemplo de designação numérica HFO-1234ze(E) e HFO-1234ze(Z). 40/47

51 Características dos Refrigerantes 41/47

52 Características dos Refrigerantes Pressão de vaporização não muito baixa É desejável que o refrigerante apresente uma pressão correspondente à temperatura de vaporização não muito baixa, para evitar vácuo elevado no evaporador e também, um valor baixo da eficiência volumétrica do compressor devido à grande relação de compressão. Pressão de condensação não muito elevada Para uma dada temperatura de condensação, quanto menor for a pressão de condensação do refrigerante, menor será a relação de compressão e, portanto, melhor o desempenho do compressor; Além disso, se a pressão no lado de alta pressão do ciclo de refrigeração for relativamente baixa, esta característica favorece a segurança da instalação. 41/47

53 Características dos Refrigerantes Calor latente de vaporização elevado Se o refrigerante tiver um alto calor latente de vaporização, será necessário menor vazão do refrigerante para uma dada capacidade de refrigeração. Volume específico reduzido (especialmente na fase vapor) Se o refrigerante apresentar um alto valor do calor latente de vaporização e um pequeno volume específico, na fase de vapor, a vazão em volume no compressor será pequena e o tamanho da unidade de refrigeração será menor, para uma dada capacidade de refrigeração; Coeficiente de performance elevado O refrigerante utilizado deve gerar um coeficiente de performance elevado pois o custo de operação está essencialmente relacionado a este coeficiente. 42/47

54 Características dos Refrigerantes Condutibilidade térmica elevada Um valor elevado da condutibilidade térmica do refrigerante é importante na melhoria das propriedades de transferência de calor. Baixa viscosidade na fase ĺıquida e gasosa Devido ao pequeno atrito do fluido dos refrigerantes pouco viscosos, as perdas de carga serão menores. Devem ser estáveis e inertes Não devem reagir e corroer os materiais metálicos da instalação de refrigeração. 43/47

55 Aspectos Relacionados à Segurança 44/47

56 Aspectos Relacionados à Segurança Quatro aspectos básicos devem ser considerados quando se relacionam as questões de segurança na utilização e manuseio de uma instalação de refrigeração: Toxicidade; Potencial cancerígeno; Potencial mutagênico; Inflamabilidade. A norma ASHRAE 34-92, classifica os refrigerantes quanto ao nível de toxicidade e inflamabilidade; A designação dada aos refrigerantes possui dois caracteres, sendo o primeiro uma letra que caracteriza o nível de toxicidade e o segundo um número que indica o grau de inflamabilidade 44/47

57 Aspectos Relacionados à Segurança Quanto à toxidade: Classe A - Compostos cuja toxicidade não foi identificada; Classe B - Compostos com evidências identificadas de toxicidade. Quanto ao nível de inflamabilidade: Classe 1 - Não se observa propagação da chama no ar a 18 C e pressão igual a 101, 325kPa; Classe 2 - Limite inferior de inflamabilidade superior a 0, 10kg/m 3 a 21 C e pressão igual a 101,325 kpa e com poder calorífico inferior a kJ/kg; Classe 3 - Inflamabilidade elevada, caracterizando-se por possuir limite inferior de inflamabilidade inferior ou igual a 0, 10kg/m 3 a 21 C e pressão igual a 101, 325kPa e com poder calorífico superior a kJ/kg. 45/47